机械原理牛头刨床课程设计报告说明书.doc
. .目 录一、设计题目与原始数据- 1 -二、牛头刨床示意图- 2 -三、导杆机构设计- 2 -四、机构的运动分析- 4 -五、机构动态静力分析- 9 -六、飞轮设计- 13 -七、设计凸轮轮廓曲线- 15 -八、齿轮设计及绘制啮合图- 15 -九、解析法- 16 -1导杆机构设计- 16 -2机构运动分析- 17 -3凸轮轮廓曲线设计- 19 -4.齿轮机构设计- 22 -十、本设计的思想体会- 22 -参考文献- 22 -附录- 23 -. .word. .一、设计题目与原始数据1题目：牛头刨床的综合设计与分析2原始数据：刨头的行程 H=550mm行程速比系数 K=1.6机架长 LO2O3=400mm质心与导杆的比值 LO3S4/LO3B=0.5连杆与导杆的比值 LBF/LO3B=0.3刨头重心至F点距离 XS6=160mm导杆的质量 m4=15刨头的质量 m6=58导杆的转动惯量 JS4=0.7切割阻力 FC=1300N切割阻力至O2的距离 YP=175mm构件2的转速 n2=80许用速度不均匀系数 =1/40齿轮Z1、Z2的模数 m12=15小齿轮齿数 Z1=18大齿轮齿数 Z2=46凸轮机构的最大摆角max=16º凸轮的摆杆长LO4C=140mm凸轮的推程运动角0=60º凸轮的远休止角01=10º凸轮的回程运动角0'=60º凸轮机构的机架长 Lo2o4=150mm凸轮的基圆半径 ro=55mm凸轮的滚子半径 rr=15mm二、牛头刨床示意图如图1所示图1三、导杆机构设计1、：行程速比系数 K=1.6刨头的行程H=550mm机架长度LO2O3=400mm连杆与导杆的比LBF/LO3B=0.32、各杆尺寸设计如下A、求导杆的摆角：max =180°×K-1/K+1=180°×1.6-1/1.6+1=42°B、求导杆长：LO3B1=H/2sinmax/2=550/2sin42°/2=776mmC、求曲柄长：LO2A =LO2O3×sinmax/2=400×sin21°=142mmD、求连杆长：LBF=LO3B×LBF/LO3B=776×0.3=233mmE、求导路中心到O3的距离：LO3M=LO3B-LDE/2=LO3B1-1-cos(max/2)/2=750mmF、取比例尺：L=0.005m/mm在1#图纸中央画机构位置图，机构位置图见1#图纸。大致图形如下：图2四、机构的运动分析：曲柄转速：n2=80rpm各构件的重心： 构件6的重心：XS6=150mm第3点：A、速度分析求VA3VA3 =VA2=LO2A×2= LO2A×n/30=0.142×80×3.14/30=1.19m/s 求VA4 = + 大小： ？ 1.19 ？方向：O3AO2AO3A取V=VA3/Pa3=0.02，在1#图纸的左下方画速度多边形求VB用速度影像求VB=64×0.02=1.28m/s求VF = + 大小： ？ 0.98 ？方向： 水平 导路 BF接着画速度多边形，由速度多边形求得：VF=V=64×0.02=1.28m/s 方向：水平向右求44=3=VA4/LO3A=41×0.02/98×0.005=1.67 rad/S 方向：顺时针求VA4A3VA4A3=×V=37×0.02=0.74m/s 方向：如速度图所示 B、加速度分析求aKA4A3aKA4A3=24VA4A3=2×1.67×0.74=2.47m/s2 方向：如速度图所示求aA3aA3=aA2=22×LO2A=8.372×142/1000=9.996m/s2方向：AO2求anA4anA4=23×LO3A=1.672×98×0.005=1.366m/s2 方向：AO3求aA4 + = + + 大小：1.366 ？ 9.9962.472?方向：AO3 O3AO3AO3A取a=aA3/pa3 =9.996/100=0.10在1#图的左下方画加速度多边形，由加速度多边形求得：aA4=×a=42×0.10=4.2m/s2方向：如下图求aB:用加速度影像求aB=66×0.10=6.6m/s2 方向：如下图求aF = + + 大小： ？ 6.60.336 ?方向：水平 FB BFanFB= V2BF/ LBF=(14×0.02) 2 /(233/1000)=0.336 m/s2接着画加速度多边形，由加速度多边形求得：aF=×a=67×0.10=6.7 m/s2方向：水平向右第10点：A、速度分析求VA3VA3 =VA2=LO2A×2= LO2A×n/30=0.142×80×3.14/30=1.19m/s 求VA4= + 大小： ？ 1.19 ？方向：O3AO2AO3A取v=VA3/Pa3=0.04，在1#图纸的左下方画速度多边形求VB用速度影像求VB=94×0.04=3.76 m/s求VF = + 大小： ？ 3.76 ？方向：水平 导路 BF接着画速度多边形，由速度多边形求得：VF =VB=3.76 m/s方向水平向左求44=3=VA4/LO3A=1.19/(0.050×5)=4.67求VA4A3VA4A3=0方向：如速度图所示B、加速度分析求aKA4A3aKA4A3=24VA4A3=0方向：如速度图所示求aA3aA3=aA2=22×LO2A=8.372×142/1000=9.996m/s2方向：AO2求anA4anA4=23×LO3A=4.672×0.050×5=0.56求aA4anA4 + atA4 = aA3 + akA4A3 + arA4A3大小： 0.56 ？9.9960 ?方向：AO3 O3A 如图 O3A取a=aA3/pa3=0.1在1#图纸的左下方画加速度多边形aA4=×a=56×0.1=5.6m/s2求aB 用加速度影像求aB=83×0.1=8.3m/s2方向：如下图 求aF = + + 大小： ？ 8.30 ?方向：水平 FB BFanFB= V2BF/ LBF=0接着画加速度多边形,由加速度多边形得：aF=×a=10×0.1=1.0m/s2 方向：水平向左第6点：A、速度分析求VA3VA3 =VA2=LO2A×2= LO2A×n/30=0.142×80×3.14/30=1.19m/s求VA4= + 大小 ? 1.19 ?方向：O3AO2AO3A取V=VA3/Pa3=0.02在1#图纸的左下方画速度多边形求VB用速度影像求VB=83.5×0.02=1.67m/s求VF= + 大小： ? 1.67 ?方向：水平 导路 BFVF=V=81×0.02=1.62m/s 方向：水平向右求44=3=VA4/LO3A=53×0.02/104×0.005=2.04 rad/S方向：顺时针求VA4A3VA4A3=×V=27×0.02=0.54m/s 方向：如速度图所示B、加速度分析求aKA4A3aKA4A3 =24VA4A3=2×2.04×0.54=2.203m/s2 方向：如速度图所示 求aA3aA3=aA2=22×LO2A=8.372×142/1000=9.996m/s2方向：AO2求anA4anA4=23×LO3A=2.042×104×0.005=2.164m/s2方向：AO3求aA4 + = + + 大小：2.164 ？ 9.9962.203 ?方向：AO3 O3A 如图 O3A取a=aA3/pa3 =0.10在1#图纸的左下方画加速度多边形由加速度多边形求得：aA4= ×a=33×0.10=3.3m/s2求aB用加速度影像求aB=52×0.1=5.2m/s2 方向：如下图求aF = + + 大小： ？ 5.2 0.36 ?方向：水平 FB BFanFB= V2BF/ LBF=(13×0.02) 2 /(233/1000)=0.29 m/s2接着画加速度多边形由加速度多边形得：aF= ×a=41×0.10=4.1m/s2 方向：水平向左收集同组同学的位移、速度、加速度的数据并汇编在如下表一：并且在1#图纸左上角绘制刨头的运动线图。刨头的运动线图见1#图纸。表一 曲柄位置名称 结果1234456SF00.040.10.190.260.30. 4VF00.911.281.661.71.691.62aF18.611.136.71.2-2.2-2.55-4.5 曲柄位置名称 结果7889101011SF0.4750.5440.550.520.40.2750.21VF1.1850.480-1-2.88-3.76-3.45aF-7.18-16.7-20.1-27.4-4.8-1.012.8五、机构动态静力分析:导杆的质量 m4=15Kg 刨头的质量 m6=58Kg (其余质量忽略不计) 导杆绕重心的转动惯量 JS4=0.7Kgm 切削阻力为常数大小为 FC=1300N1.确定惯性力、惯性力矩第3点：P16=m6×aF=58×8.8=388.6NPI4=m4×as=15×3.4=51NM14=-JS4×4=-0.7×8.16=5.1714N mLh4 =M14/PI4=0.112m第6点：P16=-m6×aF=58×4.5=232 P14=-m4×aS=15×2.6=39N M14=-JS4×4 =3.096Nmh =M14/F14=0.08m 将计算结果汇总在如下表中：表二曲柄位置导杆4刨头PI4M14Lh4P162点515.1740.112388.69点393.0960.082612.确定齿轮2的重量查指导书得齿轮2的重量G2=500N3.确定各运动副反力第3点:A、取构件5、6为示力体在机构位置图上方绘制示力体图比例尺为：L=0.005m/mm大致图形如图：+ + + + =0 上式中只有FR45、FR76的大小未知取力比例尺：P=Fc/=30N/mm 在机构位置图下面画力多边形 大致图形如图求得：FR45=×P=57×30=1710N 方向与力多边形中的方向一致 FR76=×P=17×30=510N方向：垂直导路向上MF=0：FCLO2M-YP+G6×XS6=FR76h76h76=Fc×(LO2M-YP)+G6×XS6/R76 =0.624mB、取构件3、4为示力体在机构位置图右侧绘制示力体图比例尺为：L=0.005m/mm 大致图形如图其平衡方程为：+ + + + = 0MO3=0 (确定FR23的大小)：FR23h23+F14hp+G4h4=FR54h54量得:hP=0.472m ；h4=0.085m； h54=0.76mFR23=(FR54h54+F'14hP+G4h4)/h23=2680N 矢量式中FR74的大小和方向未知 仍取力比例尺P=30N/mm接着画力多边形图求得:FR74=×P=32×30=960N方向与力多边形中的方向一致 B、取构件2为示力体在机构位置图右下方绘示力体图比例尺为:L=0.005m/mm其平衡方程为：+ + + = 0 MO2=0 确定Pb的大小：FR32h32=PbrbPb=FR32h32/rb=907N式中的R72大小和方向未知仍然取力比例尺P=30N/mm，接着画力多边形图，求得： FR72=×P=97×30=2910N 方向与为多边形中的方向一致 第6点:A、取构件5、6为示力体在机构位置图上方绘制示力体图 比例尺为：L=0.005m/mm+ + + +=0上式中只有R45、R76的大小未知取力比例尺：P=Fc/=20N/mm在机构位置图下面画力多边形图求得：FR45=×P=51×20 =1120N 方向与力多边形中的方向一致 FR76=×P=26×20 =520N 方向：垂直导路向上 MF=0：G6×XS6+=FR76h76h76=G6×XS6+/FR76=0.616m B、取构件3、4为示力体在机构位置图右侧绘制示力体图比例尺为：L=0.005m/mm 大致图形如图其平衡方程为：+ + + + = 0MO3=0 (确定R23的大小)：-FR54h54+FI4hI4+G4h4=FR23L23量得:hP=0.165m； h4=0.080m； h54=0.745m FR23=(FR54h54+ P14hP+G4h4)/LO3A=1569N 矢量式中FR74的大小和方向未知 仍取力比例尺P=20N/mm接着画力多边形图,求得:FR74=×P=31×20=620N 方向与力多边形中的方向一致B、取构件2为示力体在机构位置图右下方绘示力体图 比例尺为:L=0.005m/mm其平衡方程为：+ + + = 0MO2=0 确定Pb的大小：FR32h32=Pbrb量得:h32=0.135m，:rb =0.445mPb=FR32h32/rb=476N仍然取力比例尺P=20N/mm，接着画力多边形图求得：FR72=×P=76×20=1520N方向与力多边形中的方向一致4、将各运动副反力汇总如下表三表三： 位置反力指定的两个位置第3点第6点FR7229101520FR74960620FR76510500FR4517101020FR3426801420 FR23268014205、计算平衡力偶矩并汇总如下表四表四：曲柄位置123456Mb0232.6319.2324284.8223.8曲柄位置789101112Mb135.7-47.2175.8595.7-381.7-378.26、绘制平衡力偶矩曲线Mb-2该曲线在1#图纸的右上角 纵坐标比例尺：Mb=10Nm/mm 横坐标比例尺：2=3度/毫米平衡力偶矩曲线Mb-2见1#图纸。六、飞轮设计：许用速度不均匀系数 =1/30 平衡力矩曲线 Mb-2 驱动力矩为常数 曲柄的转数 n2=80rpm 飞轮装在齿轮Z1的O1轴上1、作等效阻力矩曲线Mr1-1由于飞轮准备装在Z1的O1轴上，因此|Mr|=|Mb/i12|可由Mb-2曲线直接画出Mr11曲线见1#图。为了使图形一样，其比例尺选为：Mr=Mb/i12=10/2.5=4Nm/mmi12=Z2/ Z1=46/18=2.52、求功曲线Wr1-1取极距H=30mm图解积分Mr1-1得Wr1-1曲线。纵坐标比例尺为：W =Mr×1×H×/180°=4×7.5×30×/180°=15.7J /mm 3、求功曲线Wd1-1根据一个稳定运转循环中能量变化为零，以及Md=常数的条件可作出Wd1-1曲线。比例尺仍为：W=15.7J/mm4、求驱动力矩曲线Md1-1仍取极距H=30mm图解微分Wd1-1得Md1-1曲线。纵坐标比例尺为：Mr=4Nm/mm 得驱动力矩：Md1=h×Mr=11×4=11.6Nm 5、确定最大盈亏功将功曲线变成动能曲线。量取：W，=30 mm最大盈亏功为：W=30×15.7=471J 6、求飞轮的转动惯量n1= n2×i12=80×2.5=200 rpmJF=900W/2n12=900×471×30/(2×2002)=32.2 Kgm7、确定飞轮尺寸b=4gJF/D3H材料用灰铸铁=7×104N/m3取飞轮直径D=0.5m取轮缘的高宽比为H/b=1.5b2=4gJF/1.5D3=4×9.8×32.2/3.14×1.5×0.53×7×104)b=175mmH=1.5b=262.5mm飞轮大致图形如下列图所示：图3七、设计凸轮轮廓曲线：推杆的运动规律为等加速等减速上升和等加速等减速下降,凸轮与曲柄共轴,顺时回转： 凸轮机构的最大摆角 max=16°凸轮的摆杆长 LO4C=140mm凸轮的推程运动角 0=60°凸轮的远休止角 01=10°凸轮的回程运动角 0'=60°凸轮机构的机架长 Lo2o4=150mm凸轮的基圆半径 ro=55mm凸轮的滚子半径 rr=15mm绘制摆杆的角位移曲线和凸轮轮廓曲线图形，图形见2#图纸。八、齿轮设计及绘制啮合图：齿轮1的尺数Z1=18齿轮2的尺数Z2=46模数m12=15压力角=20°齿顶高系数h*a=1径向间隙系数C*=0.251、 列表计算几何尺寸等表五：名称符号计算公式计算结果小齿轮分度圆直径d1d1=mz1270大齿轮分度圆直径d2d2=mz2690小齿轮齿顶圆直径da1da1=d1+2ha300大齿轮齿顶圆直径da2da2=d2+2ha720小齿轮齿根圆直径df1df1=d1-2hf232大齿轮齿根圆直径df2df2=d2-2hf652.5小齿轮基圆直径db1db1=d1cos253.72大齿轮基圆直径db2db2=d2cos648.39分度圆齿距PP=m50.3基圆齿距pbpb=pcos47.12分度圆齿厚ss=p/223.56分度圆齿槽宽ee=p/223.56径向间隙cc=c*m3.75标准中心距aa=m(z1+z2)/2480实际中心距aa=a480传动比ii=z2/z12.56重合度=B1B2/Pb1.512、绘制齿廓啮合图在2#图纸上绘制齿廓啮合图。取比例尺为：L=0.001m/mm齿廓啮合图见2#图纸。九、解析法1导杆机构设计：1行程速比系数K；2刨头和行程H；3机架长LO2O34连杆与导杆的比LBF/LO3B求解: (1)求导杆的摆角：max=180°×K-1/K+1(2)求导杆长：LO3B1=H/2sinmax/2(3)求曲柄长：LO2A=LO2O3×sinmax/2(4)求连杆长：LBF=LO3B×LBF/LO3B(5)求导路中心到O3的垂直距离LO3M：从受力情况有较大的传动角出发，刨头导路O3B线常取为通过B1B2 挠度DE的中点M.即： LO3M=LO3B-LDE/2 图四将上述条件和公式编入程序。源程序和运行结果见附录结果分析：与图解法比拟，误差在毫米以下，不用修改。2机构运动分析：(1)曲柄转速2；(2)各构件的长度。求解：、建立机构的运动方程式如下图：选定直角坐标系XOY。标出各杆的矢量和转角。各构件矢量所组成的封闭矢量方程式为:+=a b其中令：Ll=LO2O3；Y=L03M；S=L03A；将a式分别投影在x和y轴上得L2cosF2=S cos F4 cLl+L2 sin F2=S sin F4 d两式相除那么得tgF4=(Ll+L2sinF2)L2cosF2 (1)在三角形A0203中S2=LlLl+L2L22L1L2cos(90+F2) (2)将c d两式对时间求导一次得L2W2sinF2=SW4sinF4+VrcosF4 eL2W2cosF2=SW4cosF4+VrsinF4 f将坐标XOY绕O点转F4角(也就是将e f两式中的F2角F4角分别减去F4)经整理后可分别得到Vr=L2 W2sin(F2F4) (3)W4=L2 W2 cos(F2-F4)S (4) 再将e f二式方别对时同求导一次后，同样将坐标XOY绕0点转F4角(也就是将式中的F2角F4角分别成去F4)，经整理后可分别得到ar=SW4W4L2W2W2cos(F2F4) (5)ak=2 Vr W4 (6)e4=2 VrW 4+ L2W2W2sin(F2一F4) (7)将b式分别投|影在x和y轴上得X：L4 cos F4十L5 cos F5 (8)Y：L4 sin F4十L5 sin F5 (9)由(9)式可直接得sin F5=YL4sinF4L5 (10)对(9)式求导，一次可得L4W4cosF4=L5W5cosF5 于是由g式可得W5=(L4W4cosF4)L5cosF5 (11)对g式求导一次经整理可得e5=L4e4cosF4+L4W4 W4sinF4+L5W5W5sinF5)L5cosF5 (12)(8)式中的X是坐标值，要想得到F点的位移XF应该是XF=XX0XF=L4 cos F4+L5 cos F5一(L4 cos F40+L5 cos F50) (13)式中F40 F50是导杆4处在左极限位置l时，导杆4和连杆5与坐标的正向夹角对13式求导一次可得：VF=L4W4sinF4L5 W5sinF5 (14)对14式求导一次可得：aF=L4cosF4W4W4L4sinF4e4L5cosF5 W5W5L5sinF5e5 (15)角度的分析关于F4和F5两个角度的分析 当曲柄2运动到第一象限和第四象限时，导杆4在第一象限。此时得出的F4就是方位角。当曲柄2运动到第二象限和第三象限时导杆4是在第二象限，得出的F4是负值，所以方位角应该是F4=180+F4由于计算机中只有反正切，由10式是不能直接求出F5因此要将其再转换成反正切的形式F5=atn(gsqr(1g*g) (16)式中g=sin F5=(YL4*sin F4) L5无论曲柄2运动到第几象限。连杆5都是在第二第三象限，由于在第二象限时F5是负值，在第三象限时F5是正值，因此在转换方位角时可以用一个公式来表示即：F5=180+F5 (17)开场计算是在左极限l的位置。因此F2的初值应该是： F2=Fq=195°(Fq为起始角)运行到8时导杆处在右极限终止位置，因此F2的数值应该是：F2=FZ=345° (FZ为终止角)编写程序。源程序和运行结果见附录结果分析： 上述结果与图解法比拟，除加速度略有点误差外其余各结果均无误差。因此验证了图解法和解析法的运算结果都是正确的。加速度的误差尽管很小但也进展了查找修正。3凸轮机构的轮廓曲线设计(1)从动件8的运动规律及0、01、；(2)从动件8的长度LO4C；(3)从动件的最大摆角max=18º；(4)从动件与凸轮的中心距LO2O4；(5)凸轮理论轮廓的基圆半径r0；(6)滚子半径rr；(7)凸轮与曲柄共轴,顺时针回转。图五1.建立数学模型选取XOY坐标系，B0点为凸轮起始点。开场时推杆滚子中心处于B0点处，当凸轮转过角度时，推杆相应地产生位移角。根据反转法原理,此时滚子中心应处于B点，其直角坐标为：y=asinLsin(0) ax = a cosLcos(0) b式中a为凸轮轴心O与摆动推杆轴心A之间的距离,L为摆动推杆的长度。在OA0B0中0=arc cos (a2L2r20)/2aL ca式和b式即为凸轮理论轮廓线的方程式。凸轮的实际廓线与理论廓线的距离处处相等，为其理论廓线的等距曲线，且等于滚子半径rr，故当理论廓线上任意一点B(x，y)时，只要沿理论廓线在该点的法线方向取距离为rr，即得实际廓线上得相应点B(X,Y)。由高等数学知，理论廓线B点处法线nn得斜率(与切线斜率互为负倒数)，应为：tgdx/dy(dx/d)/(dy/d) d式中dx/d、dy/d可根据a式和b式求得：dy/da cosLcos(0)(1-d/d) edx/da sinLcos(0)(1-d/d) f代入d式可求出。此处应注意：角在0°至360°之间变化，当式中分子分母均大于0时，角在0°至90°之间；分子分母均小于0时，角在180°至270°之间；如果dy/d<0，dx/d>0那么角在90°至180°之间；又如dy/d>0，dx/d<0，那么角在270°至360°之间。当求出角后，实际廓线上对应B(x,y)的坐标可由下式求出：x=x±rrcosgy=y±rrcosh式中“号为内等距曲线，“号为外等距曲线。g式和h式即为凸轮的实际轮廓线方程式。在e式和f式中的即为给定的运动规律中的摆角推杆的角位移，d/d为对凸轮转角的导数，根据给定的等加速等减速上升和等加速等减速返回的运动规律其公式如下：1推程推杆在等加速运动阶段的方程式(在0至0/2之间变化)=2max(/0)2d/d=4max/02推杆在等减速运动阶段的方程式(在0/2至0之间变化)max2max(0)2/02d/d=4max(0)/022回程推杆在等加速运动阶段的方程式(在0至0/2之间变化)=2max(/0)2d/d=4max/02推杆在等减速运动阶段的方程式(在0/2至0之间变化)max2max(0)2/02d/d=4max(0)/02编写理论廓线的极坐标(向径)和理论廓线及实际廓线的直角坐标计算程序。理论廓线的极坐标(向径)和理论廓线及实际廓线的直角坐标计算程序和运行结果见附录4.齿轮机构设计:(1) 齿数Z1,Z2(2) 模数m12, 压力角=20°(3) 齿顶高系数h*a=1,径向间隙系数C*=0.25将条件和有关公式编入程序.计算结果及程序见附录十、本设计的思想体会在经过忙碌紧X的学习工作之后，机械原理课程设计完毕了,回忆这两周的课程设计,我感到受益匪浅:这次设计之后,使我进一步稳固了课堂上所学过得理论知识,并且提高了对这些理论知识的运用，加深了对机构运动和力分析的理解，同时在进展解析法设计的时候，通过查阅资料稳固了对计算机VB程序的简单使用，提高了自己实际应用能力，肯定了自己的学习成果。而且每天做的事情令自己生活很充实，对自己学习的专业也增加了一定的认识，提高了自己的动手能力，更增加了对本门课程的兴趣。总而言之，本次课程设计充实了自己的知识储藏，提高了自己的能力，收获颇丰。参考文献1XX工业大学、机械学教研室编著、机械原理课程设计指导书、2021.32西北工业大学、孙恒，陈作模主编、机械原理第七版、高等教育、2006.53蒋加伏，沈岳主编、计算机文化根底、邮电大学、2003.54马铭、任正权 主编、Visual Basic程序设计教程、科学、2021.5附录1. 导杆机构设计程序及运行结果Private Sub mand1_Click()Dim Qmax%, K!, pi!, rad!, H!, L4!, L2!, L1!, bfo3b!, Y!pi = 3.1415926:K = 1.6:H = 550L1 = 400bfo3b = 0.3Qmax = 180 * (K - 1) / (K + 1)Label1.Caption = "导杆摆角：" &
